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Nicht immer ist eine San-Andreas-Verwerfung nötig, um gute Erdbebenforschung zu machen.
Auch in Bayern gibt es interessante seismische Aktivität, wie Professor Heiner Igel und Dr. Toni Kraft anhand
einer Studie über den Einfluss von Regenwasser auf Erdbeben zeigen konnten. Ihre Kollegen vom Department
für Geo- und Umweltwissenschaften, Professor Hans-Peter Bunge und Giampiero Iaffaldano,
gelang parallel dazu der Nachweis, dass das Gewicht von Gebirgen tektonische Platten verlangsamen kann.
SUSANNE WEDLICH
steter tropfen hebt den stein
nsere Erde hat eine ausgesprochen dünne Haut. „Die äußerste Schicht des Planeten, die Lithosphäre, ist fest und
U
nur etwa 100 Kilometer dick“, berichtet der Geophysiker Giampiero Iaffaldano. Sie besteht aus sieben großen
und zahlreichen kleineren Platten, die sich auf die Landmasse der Erde und die Ozeanböden verteilen. Diese tektonischen Platten schwimmen in langsamer Bewegung auf einer Schicht zähflüssigen, unter hohem Druck stehenden
Gesteins, die unter der Lithosphäre liegt. „So genannte Konvektionsbewegungen in dieser Masse sind die Energiequelle
für die Aktivität an der Oberfläche“, so Giampiero Iaffaldano. „Echtzeitmessungen dieser Dynamik sind mittlerweile
möglich und haben mehrere Zentimeter tektonischer Plattenbewegung angezeigt.“ Doch diese verläuft nicht immer
ganz reibungslos, weil Platten nicht nur auseinander driften, sondern auch aufeinander stoßen oder aneinander vorbei
gleiten können. Das macht vor allem die Plattengrenzen zu geologisch äußerst aktiven Bereichen. Unter bestimmten
Umständen kommt es beim Aufeinandertreffen zweier Platten sogar zu einer Subduktion. Dann schiebt sich eine der
Platten unter die andere. Herrschen dabei besonders komprimierende Bedingungen, kann sich dabei auch Gestein
nach oben bewegen und dabei ganze Gebirge auffalten. Ein Beispiel dafür sind die Anden Südamerikas, zwischen deren
Hochgebirgsketten im Westen und Osten der Altiplano liegt. Welche Bedeutung dieser ausgedehnten Hochebene
zukommt, erkannten Professor Hans-Peter Bunge und sein Mitarbeiter Giampiero Iaffaldano im Rahmen einer Bahn
brechenden Studie. Sie gingen dabei der bislang ungeklärten Frage nach, warum sich die Bewegungsrichtung und die
Geschwindigkeit einzelner Platten im Lauf der Erdgeschichte verändert haben. Zusammen mit einem US-amerikanischen
Kollegen entwickelten die Geophysiker eine Computersimulation der globalen Erdmantelkonvektion, die mit realistischen
tektonischen Plattenmodellen an der Oberfläche gekoppelt ist. Dabei flossen auch Daten des neuen Globalen Positionierungssystems (GPS) in die Berechnungen mit ein. Letztlich gelang damit erstmals, die Bewegungsänderung
der Nazca-Platte vor Südamerika in den letzten zehn Millionen Jahren, also bis in die geologische Zeit des Miozäns zurückreichend, quantitativ zu erklären. Die Wissenschaftler konnten anhand von Zeitfenstern zeigen, dass sich die Subduktion der Nazca-Platte unter der Südamerikanischen Platte seit dieser Zeit deutlich verlangsamt hat, und zwar um
etwa 30 Prozent. Die Computersimulationen belegen aber auch, dass diese Veränderung durch hohe Reibungskräfte
an der Plattengrenze verursacht wird. Verantwortlich dafür ist das Altiplano-Plateau in den Zentralanden in Bolivien
und Peru, das vor allem seit dem späten Miozän aufgefaltet wird. Anders ausgedrückt: Der heute über 6.000 Meter
hohe Altiplano übt durch sein enormes Gewicht genug Druck aus, um die Bewegung der Nazca-Platte abzubremsen.
Mit dieser Studie konnte erstmals die Bewegungsänderung einer Platte erfolgreich erforscht werden. Zwei Ergebnis-
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-2
7 Die Abbildung zeigt die Epizentren von 546 Erdbeben im Jahr 2002 am
Hochstaufen. Die Farben bezeichnen rund 80 Erdbeben im März (grün) und
rund 430 allein im August (rot), schwarz kennzeichnet die seismische
Hintergrundaktivität (etwa 40 Erdbeben).
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depth (km)
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300
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se der Arbeit könnten besonders weit reichende Konsequenzen
haben. So sind die oberen 30 Kilometer der Erdoberfläche, der
erdbebenreiche Sprödbereich, wichtiger für die Steuerung der
Plattentektonik als bislang angenommen. Zudem ergibt sich aus
den Resultaten die Möglichkeit, dass das Erdklima direkten Einfluss auf die Plattentektonik haben könnte. Denn die Auffaltung des
Altiplano ist Folge der geringen Erosion, einhergehend mit dem
dort vorherrschenden Wüstenklima. Auf der anderen Seite ist die
station
events
km
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5
Abbremsung der Nazca-Platte Folge der Auffaltung. Zusammen
genommen ergibt das eine ganz besondere Wechselwirkung: Stark
arides Klima, also wenn die Verdunstung den Niederschlag in einer Region übersteigt und die Luftfeuchtigkeit gering
ist, könnte demnach in Regionen mit Gebirgsbildung die Bewegung tektonischer Platten verlangsamen. Aber auch
Niederschlag kann bei geologischen Phänomenen eine wichtige Rolle spielen, wie ein anderes Projekt zeigte – das in
Bayern durchgeführt wurde. Denn auch hierzulande gibt es seismische Aktivität. So wurde bereits am 16. Oktober 1390
zum ersten Mal ein Erdbeben in Bayern dokumentiert, und zwar in Bad Reichenhall, wo es alle paar Jahre zu entsprechenden Erschütterungen kommt. Noch spannender aber ist ein sehr viel häufigeres Phänomen, das sich vor der
Haustür der oberbayerischen Stadt beobachten lässt. Dort steht der 1.771 Meter hohe Hochstaufen, der östlichste Gipfel
der Chiemgauer Alpen und Bad Reichenhaller Hausberg. An diesem beliebten Ausflugsberg finden jedes Jahr mehr als
tausend kleinere Erdbeben statt, die meist aber nicht intensiv genug sind, um von den Touristen und Anwohnern wahrgenommen zu werden. Die Erforschung dieser so genannten Schwarmbeben am Hochstaufen ist erst seit kurzem
möglich. Zwar gibt es seit mehr als 100 Jahren seismische Überwachungsstationen in Bayern, doch diese waren noch
bis in das Jahr 2000 vor allem für die Registrierung und Messung entfernter Erdbeben geeignet. „Da war es keine
Seltenheit, dass auch spürbare Beben erst durch Anrufe besorgter Personen bei der Polizei oder am Geophysikalischen
Observatorium der LMU bekannt wurden“, berichtet der Geophysiker Dr. Toni Kraft, der sich in seiner vor kurzem abgeschlossenen Dissertation unter anderem mit der Geschichte des seismologischen Stationsnetzes in Bayern beschäftigte.
SCHWARMBEBEN GEBEN RÄTSEL AUF
Im Jahr 2000 begannen dann die LMU und das Bayerische Geologische Landesamt mit dem Aufbau von insgesamt
21 modernen seismologischen Stationen. Diese erlauben die Beurteilung der seismischen Aktivität in Bayern fast in
Echtzeit. Dank der besonderen Qualität der Daten kommt den Aufzeichnungen am Hochstaufen große Bedeutung in
der Forschung zu – vor allem in Hinsicht auf die Schwarmbeben. „Noch gibt es keine wissenschaftlich präzise
Definition des Begriffes Erdbebenschwarm“, berichtet der Geophysiker Toni Kraft. „Charakteristisch ist aber ein langsames zeitliches An- und Abklingen der seismischen Aktivität ohne bekannte Gesetzmäßigkeit.“ Erdbebenschwärme
treten weltweit vor allem in vulkanisch aktiven Regionen auf, werden aber auch durch die Erdölförderung sowie Druckversuche in tiefen Bohrlöchern künstlich ausgelöst. Seit längerem wurde vermutet, dass sie durch die Bewegung von
Gasen oder auch Flüssigkeiten in der Erdkruste verursacht werden. Nicht zuletzt auch Regenwasser wird eine wichtige
Rolle bei verschiedenen geologischen Aktivitäten zugeschrieben – unter anderem bei Erdbeben. Es wurde vermutet,
dass Wasser an diesem Punkt kurz vor der seismischen Instabilität den entscheidenden Auslöser liefern kann – als
Tropfen, der das Fass überlaufen lässt. Dieser Annahme gingen Toni Kraft und Professor Heiner Igel in einem gemein-
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samen Projekt am Hochstaufen mit Kollegen der Universität Potsdam nach. In der Tiefe des Bergmassivs gibt es vor
allem im Sommer zahlreiche Erdbeben – in eben jenen Monaten mit dem meisten Niederschlag im Jahr. Weil diese
Aktivität seit 2001 kontrolliert wird, lag eine große Datensammlung vor. Alleine im Jahr 2002 wurden dabei mehr als
1.100 Erdbeben verzeichnet. Auffällig war, dass die Beben im März und August gehäuft auftraten, und zwar nach überdurchschnittlich starkem Regenfall (siehe Abbildung S. 66). Insgesamt konnten die Wissenschaftler einen deutlichen
Zusammenhang zwischen der Niederschlagsmenge und der Zahl und Stärke der Erdbeben nachweisen. „Von unseren
kalifornischen Kollegen wurden wir immer etwas belächelt“, meint Heiner Igel. „Trotzdem zeigt sich, dass wir viel von
diesen kleinen Erdbeben lernen können.“ Die Daten zeigen auch, dass der Niederschlag den Druck in den Gesteinsporen verändert und so die seismische Aktivität beeinflusst. Überraschend war, dass schon geringe Änderungen ein
Beben auslösen können. „Unsere Ergebnisse weisen damit auch nach, dass die Erdkruste schon auf kleinste Veränderungen sehr empfindlich reagieren kann“, so der Geophysiker. „Dazu kommt aber, dass es im Gestein auch größere
Spalten gibt, in denen sich mehr Wasser speichern und entsprechend mehr Druck entstehen kann.“ Es ist wahrscheinlich,
dass die Flüssigkeit beziehungsweise die dadurch verursachten Spannungsänderungen auch weitere Strecken zurücklegen können und ihre Wirkung vor allem im Bereich von einem bis vier Kilometern Tiefe zeigen. Dort finden tatsächlich auch die meisten Erdbeben statt. „Insgesamt konnten wir zum ersten Mal einen direkten Zusammenhang zwischen
Regen und Erdbeben auf diesem Planeten nachweisen“, sagt Heiner Igel. „Jetzt wollen wir die Deformationen im Gestein genau messen, aber auch die physikalischen Grundlagen der Wechselwirkung mit dem Regenwasser besser verstehen. Wer hätte gedacht, dass es in Bayern so interessante Erdbeben gibt!“
Prof. Dr. Hans-Peter Bunge ist seit 2003 Leiter des Lehrstuhls für Geophysik
an der LMU. Zuvor lehrte er fünf Jahre an der Princeton University, USA.
[email protected]
http://www.geophysik.uni-muenchen.de/Members/bunge
Dr. Toni Kraft war bis Mai 2006 Ph.D.-Student und wissenschaftlicher
Mitarbeiter am Department für Geo- und Umweltwissenschaften der LMU.
Seit Juni 2006 ist er Projektmanager am GeoForschungsZentrum Potsdam.
[email protected]
http://www.geophysik.uni-muenchen.de/Members/toni/about
Prof. Dr. Heiner Igel ist seit 1999 Professor für Geophysik an der LMU und leitet
das Seismologische Observatorium München und den Erdbebendienst Bayern.
[email protected]
http://www.geophysik.uni-muenchen.de/Members/igel
Giampiero Iaffaldano ist Ph.D.-Student am Internationalen Doktorandenkolleg
„Complex Processes in the Earth: Theory, Experiment, Simulations” (THESIS),
das im Rahmen des Elitenetzwerks Bayern an der LMU angeboten wird.
[email protected]
http://www.geophysik.uni-muenchen.de/Members/giampiero
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